emisja gazów powstałych podczas uprawy miskanta - PTES-ISES
Transkrypt
emisja gazów powstałych podczas uprawy miskanta - PTES-ISES
NAUKA EMISJA GAZÓW POWSTAŁYCH PODCZAS UPRAWY MISKANTA M. Hryniewicz, A. Grzybek Instytut Technologiczno-Przyrodniczy, oddział Warszawa, Warszawa, Polska STRESZCZENIE W pracy podano metodę i wartości średnie emisji wybranych gazów dla poszczególnych cykli uprawy miskanta w podziale na zastosowane operacje technologiczne. obliczono następujące emisje jednostkowe gazów przypadające na hektar uprawy miskanta przy zastosowaniu rzeczywistej technologii w ciągu okresu całego życia plantacji: CO2 3 683 281,04 [g/ha], SO2 - 8 341,75 [g/ha], NOx - 14 995,29 [g/ha], pyły - 2 383,36 [g/ha], VOC - 9 533,43 [g/ha]. Sformułowano wnioski wskazujące sposoby zmniejszenia emisji gazów dla całego cyklu życia plantacji. optymalizacja doboru maszyn dla poszczególnych operacji pod kątem ich zużycia paliwa podczas pracy może zmniejszyć emisje gazów. WSTĘP W związku z podjętymi zobowiązaniami dotyczącymi redukcji emisji szkodliwych gazów o 20% do roku 2020, istotne jest poznanie aktualnego ich poziomu w poszczególnych technologiach uprawy roślin. w 2009 roku powierzchnia upraw energetycznych roślin trwałych wynosiła 10 202 ha (POLBIOM, 2010), w tym wierzby energetycznej 6 160 ha i miskanta 833 ha, co w strukturze upraw wynosi odpowiednio 60,4% i 8,2%. Miskant jest uznaną rośliną energetyczną (Matyka, Kuś, 2011). w Polsce plantacje tej rośliny są zakładane głównie z podziału kłączy (rhizomów) i czynione są próby rozmnażania miskanta in vitro (Majewska-Sawka, 2009). Podczas zakładania plantacji miskanta oraz dalszej jego uprawy można stosować różne technologie wraz z maszynami różniącymi się wydajnością, i zużyciem paliwa przez silniki ciągników współpracujących z dobranymi maszynami. Silniki zużywające paliwo kopalne emitują do atmosfery produkty spalania. w celu porównania emisji gazów dla różnych technologii uprawy miskanta niezbędna jest szczegółowa identyfikacja ich emisji dla poszczególnych operacji. Dzięki temu można byłoby sformułować wnioski, a następnie zalecenia co do sposobów zmniejszenia emisji gazów i rodzaju stosowanych maszyn. Można zatem dążyć do ulepszenia technologii uprawy pod kątem zmniejszenia emisji szkodliwych gazów. w dostępnej literaturze brak jest szczegółowo przedstawionej analizy tego problemu. Dlatego też celem badań jest szczegółowa analiza rzeczywistej technologii z uwzględnieniem zużycia paliwa z konkretnych ciągników i ich czasów pracy na polu. okres życia plantacji miskanta wynosi 17 lat i można w nim wyróżnić następujące jednoroczne cykle uprawy: zakładanie plantacji, i cykl 48 polska energetyka słoneczna produkcyjny, II cykl produkcyjny, 14 kolejnych cykli produkcyjnych i likwidacja plantacji. Interesującym byłoby obliczenie emisji zarówno dla poszczególnych operacji w cyklach jednorocznych jak i sumy emisji dla całego okresu życia plantacji miskanta. MATERIAŁ i METODYKA BADAŃ Materiałem do badań była przedstawiona w tabeli 2 technologia uprawy miskanta. Na podstawie badań własnych zestawiono maszyny i narzędzia do uprawy miskanta. Przeprowadzono badania dotyczące czasu pracy maszyn, nakładów pracy ludzkiej oraz zużycia rhizomów, nawozów, środków ochrony i sznurka. Czas pracy mierzono stoperem z dokładnością 0,1 sekundy. Nakłady rhizomów, nawozów, środków ochrony i sznurka określono na podstawie rzeczywistego zużycia według wag podanych na opakowaniach zużywanych materiałów. Zużycie paliwa zostało określone poprzez wstępne napełnienie zbiornika paliwa w ciągniku, wykonanie operacji i uzupełnienie zbiornika paliwem do pełna. Ilość uzupełnionego paliwa była zużyciem. Wyniki badań odniesiono do jednego hektara uprawy. Na podstawie zużycia paliwa obliczono emisje gazów do atmosfery powstające podczas uprawy. Znając zużycie oleju napędowego przypadające na jeden hektar obliczono emisje gazów przypadające na jeden hektar uprawy dla czynności cyklu zakładania plantacji, i cyklu produkcyjnego, II cyklu produkcyjnego, dla kolejnych cykli produkcyjnych i cyklu likwidacji plantacji, jak i całego okresu życia plantacji. Emisję dla każdej operacji w zależności od jej rodzaju i przypadającą dla jednego hektara można obliczyć według zależności (1). e(i,j,k) = zon(i,j) * e(k) (1) gdzie: e(i, j, k) emisja jednostkowa na hektar i cykl uprawy (iÎ{(Zakładanie plantacji),(I cykl produkcyjny),(Kolejne cykle produkcyjne), (Likwidacja plantacji)}), j kolejna operacja w danym cyklu produkcyjnym, w zależności od cyklu, k rodzaj emisji (kÎ{ CO2 [g/ha], SO2 [g/ha], NOx [g/ha], Pyły [g/ha], VOC [g/ha]} zon(i, j) jednostkowe użycie oleju napędowego, e(k) emisja jednostkowa dla rodzaju emisji k, Analogicznie można obliczyć emisje SO2, NOx, pyłów i VOC. Jednostkowe emisje ze spalenia jednego 2-4/2011 NAUKA litra oleju napędowego(wartości średnie) przyjęto za Spirincx i inni (Spirincx i in., 2000) i przedstawiono w tabeli 1. Tabela 1. Jednostkowe emisje gazów ze spalenia jednego litra oleju napędowego Rodzaj emisji CO2 SO2 NOx Pyły VOC Wartość [g/l] 3 709 8,4 15,1 2,4 9,6 Suma emisji przypadających na hektar w danym cyklu, dla danego rodzaju emisji, obliczana jest według wzoru (2): gdzie: se(k) suma emisji dla całego okresu życia plantacji, k rodzaj emisji, sezp(k) suma emisji jednostkowych dla cyklu zakładania plantacji, seI(k) suma emisji dla i cyklu produkcyjnego, seII(k) suma emisji dla II cyklu produkcyjnego, sekcp(k) suma emisji dla kolejnego cyklu produkcyjnego, selp(k) suma emisji dla cyklu likwidacji plantacji, Na podstawie wyżej wymienionych zależności można sporządzić zestawienie wartości emisji jednostkowych przypadających na hektar oraz ich strukturę procentową udziału w poszczególnych operacjach i cyklach uprawy miskanta. WYNIKI BADAŃ i ICH DYSKUSJA se(i, k) = åi e(i, j, k) (2) gdzie: se(i, k) suma emisji w danym cyklu, dla danego rodzaju emisji przypadająca na hektar, i cykl uprawy, k rodzaj emisji, e(i, j, k) emisja jednostkowa na hektar, j kolejna operacja w danym cyklu, Suma emisji przypadających na hektar dla całości okresu życia plantacji dla danego rodzaju emisji obliczana jest według wzoru (3): se(k) = sezp(k)+seI(k)+seII(k)+14*sekcp(k)+selp(k) (3) Tabela 2 przedstawia wykonaną na podstawie badań kartę technologii uprawy miskanta. Zawarte w niej dane są kluczowe dla wyników obliczeń emisji. Wynika z niej jednoznacznie (na podstawie pomiarów), że operacje o tej samej nazwie (np. koszenie czy zbiór i prasowanie) posiadają różne nakłady czasu pracy maszyn i pracy ludzkiej w różnych jednorocznych cyklach produkcyjnych. Zatem byłoby zbyt daleko idącym uproszczeniem założenie, że operacje te są takie same w różnych cyklach produkcyjnych. Tabela 3 zawiera zestawienie wyników obliczeń emisji gazów dla poszczególnych czynności uprawy miskanta, cząstkowe sumy emisji dla cykli produkcyjnych oraz sumę emisji dla całego okresu życia plantacji. Rys. 1. Struktura emisji gazów w poszczególnych latach i cyklach produkcyjnych miskanta [%] 2-4/2011 polska energetyka słoneczna 49 NAUKA Tabela 2. Karta technologii uprawy miskanta Likw. plant. Kolejne cykle produkcyjne II cykl produkcyjny I cykl produkcyjny Zakładanie plantacji Cykl 50 Czynności Opryskiwanie Talerzowanie Orka głęboka Bronowanie Nawożenie NPK Załadunek nawozu Dowóz nawozu Uprawa przedsiewna Dowóz rhizomów na pole Sadzenie Opryskiwanie Moc ciąg. [kW] 60 118 118 60 60 60 60 118 35 60 60 Maszyna lub narzędzie Nakład pracy [cnh/ha] [rbh/ha] Oprysk. 2000, 18 m Brona talerzowa 3 m Pług 5-sk.obracalny Brona 6-p. ciężka Roz. zaw.1000 kg, 18 m Ładowanie Big-bag Przyczepa 6 t Brona rotacyjna 3 m Przyczepa 4 t Sadzarka 4 rzęd. Oprysk. 2000, 18 m 0,21 0,39 1,13 0,58 0,29 0,06 0,10 1,28 0,25 2,20 0,21 0,23 0,4 1,12 0,6 0,3 0,07 0,11 1,3 0,75 11,0 0,22 Wałowanie 60 Wał Cambridge 6 m 0,27 0,28 Oprysk powschod. 60 Oprysk. 2000, 18m 0,21 0,22 Nawożenie N 60 Roz. zaw.1000 kg, 18 m 0,23 0,24 Załadunek nawozu Dowóz nawozu Koszenie Zbiór i prasowanie Sortowanie i załadowanie bel Transport bel Transport bel Rozładowanie i sortowanie bel Nawożenie NPK 60 60 118 118 60 60 60 60 60 Ładownie Big-bag Przyczepa 6 t Kos. dysk.+kond. 3m Prasa Vicon LB1270 Ładowacz czoł. Tur 2 Przyczepa T023 Przyczepa T023 Ładowacz czoł. Tur 2 Roz. zaw. 1000 kg, 18 m 0,06 0,05 0,51 0,62 0,33 0,21 0,18 0,29 0,29 0,10 0,10 0,55 0,64 0,35 0,23 0,20 0,31 0,31 Nawożenie N 60 Roz. zaw. 1000 kg, 18 m 0,23 0,25 Załadunek nawozu Dowóz nawozu Opryskiwanie Koszenie 60 60 60 118 Ładowanie Big-bag Przyczepa 6 t Oprysk. 2000, 18 m Kos. dysk.+kond. 3 m 0,18 0,20 0,23 0,65 0,20 0,25 0,25 0,67 Zbiór i prasowanie 118 Prasa Vicon LB1270 0,82 0,85 Sortowanie i załadowanie bel 60 Ładowacz czoł. Tur 2 0,74 0,80 Transport bel Transport bel Transport bel 60 60 60 Przyczepa T023 Przyczepa T023 Przyczepa T023 0,15 0,15 0,15 0,17 0,17 0,17 Rozładowanie i sortowanie bel 60 Ładowacz czoł. Tur 2 0,65 0,67 Nawożenie NPK 60 Roz. zaw. 1000 kg, 18 m 0,29 0,31 Nawożenie N 60 Roz. zaw. 1000 kg, 18 m 0,23 0,25 Załadunek nawozu Dowóz nawozu Koszenie Zbiór i prasowanie Sortowanie i załadowanie bel 60 60 118 118 60 Ładowanie Big-bag Przyczepa 6 t Kos. rot.+kond. 3m Prasa Vicon LB1270 Ładowacz czoł. Tur 2 0,18 0,20 0,80 1,14 1,06 0,20 0,25 0,82 1,30 1,20 Transport bel Transport bel Transport bel 60 60 60 Przyczepa T023 Przyczepa T023 Przyczepa T023 0,20 0,20 0,23 0,22 0,22 0,25 Rozładowanie i sortowanie bel 60 Ładowacz czoł. Tur 2 0,98 1,00 Opryskiwanie Rozdrabnianie 60 60 Oprysk. 2000, 18 m Brona rotacyjna 3m 0,23 1,54 0,25 1,70 Bronowanie *2 60 Brona 6-p. ciężka 1,17 1,30 polska energetyka słoneczna Zużyte sur. i materiały Rodzaj (jedn. miary) Ilość Roundap (l/ha) 3 NPK 5-20-30 (kg/ha) 250 Rhizomy (tys. szt./ha) Herbicyd (l/ha) 10 0,63 Herbicyd (l/ha) Saletra amonowa (kg/ha) 0,63 Sznurek (kg/ha) 3,6 NPK 5-20-30 Saletra amonowa (kg/ha) 200 Herbicyd (l/ha) 0,63 Sznurek (kg/ha) 11,1 NPK 5-20-30 Saletra amonowa (kg/ha) 200 Sznurek (kg/ha) 17,1 70 70 70 Roundap (l/ha) 2-4/2011 5 NAUKA Tabela 3. Wyniki obliczeń emisji gazów dla poszczególnych czynności w uprawie miskanta Rok Czynności Likwid. plantacji Kolejne cykle produkcyjne II cykl produkcyjny I cykl prod. Zakładanie plantacji Opryskiwanie Talerzowanie Orka głęboka Bronowanie Nawożenie NPK Załadunek nawozu 0 Dowóz nawozu Uprawa przedsiewna Dowóz rhizomów na pole Sadzenie Opryskiwanie Wałowanie Suma emisji dla cyklu zakładania plantacji Oprysk powschod. Nawożenie N Załadunek nawozu Dowóz nawozu Koszenie 1 Zbiór i prasowanie Sortowanie i załadowanie bel Transport bel Transport bel Rozładowanie i sortowanie bel Suma emisji dla i cyklu produkcyjnego Nawożenie NPK Nawożenie N Załadunek nawozu Dowóz nawozu Opryskiwanie Koszenie 2 Zbiór i prasowanie Sortowanie i załadowanie bel Transport bel Transport bel Transport bel Rozładowanie i sortowanie bel Suma emisji dla II cyklu produkcyjnego Nawożenie NPK Nawożenie N Załadunek nawozu Dowóz nawozu Koszenie 3- Zbiór i prasowanie 16 Sortowanie i załadowanie bel Transport bel Transport bel Transport bel Rozładowanie i sortowanie bel Suma emisji dla kolejnych cykli produkcyjnych Opryskiwanie Rozdrabnianie 17 Bronowanie *2 Suma emisji dla cyklu liwidacji plantacji Suma emisji liczona wg. wzoru (3) Rysunek 1 przedstawia udział procentowy struktury emisji gazów w zależności od poszczególnych lat i cykli produkcyjnych. Zabieg zakładania plantacji miskanta generuje największy udział (7, 63%) w strukturze emisji gazów w całym życiu uprawy tej rośliny. Udział tej emisji gazów jest niewiele większy 2-4/2011 CO2 [g/ha] [g/ha] 22 359,61 65 264,57 17 092,31 8 546,15 1 709,23 2 930,11 74 164,28 4 265,35 64 462,42 6 153,23 7 813,63 280 914,13 6 153,23 6 836,92 1 709,23 1 465,06 29 665,71 36 138,23 9 571,69 6 153,23 5 274,20 8 614,52 111 582,03 8 546,15 6 836,92 5 127,69 5 860,22 6 836,92 37 378,80 47 308,23 21 536,31 4 395,17 4 395,17 4 395,17 19 143,39 171 760,13 8 546,15 6 836,92 5 127,69 5 860,22 46 278,51 65 705,88 31 108,00 5 860,22 5 860,22 6 739,25 28 715,08 216 638,15 6 836,92 45 069,06 34 184,62 86 090,60 3 683 281,04 SO2 [g/ha] 13,94 50,64 147,81 38,71 19,36 3,87 6,64 167,96 9,66 145,99 13,94 17,70 636,20 13,94 15,48 3,87 3,32 67,19 81,84 21,68 13,94 11,94 19,51 252,71 19,36 15,48 11,61 13,27 15,48 84,65 107,14 48,77 9,95 9,95 9,95 43,36 389,00 19,36 15,48 11,61 13,27 104,81 148,81 70,45 13,27 13,27 15,26 65,03 490,63 15,48 102,07 77,42 194,97 8 341,75 NOx [g/ha] 25,05 91,03 265,70 69,59 34,79 6,96 11,93 301,94 17,37 262,44 25,05 31,81 1 143,65 25,05 27,83 6,96 5,96 120,77 147,13 38,97 25,05 21,47 35,07 454,27 34,79 27,83 20,88 23,86 27,83 152,18 192,60 87,68 17,89 17,89 17,89 77,94 699,27 34,79 27,83 20,88 23,86 188,41 267,50 126,65 23,86 23,86 27,44 116,90 881,97 27,83 183,48 139,17 350,49 14 995,29 Pyły [g/ha] 3,98 14,47 42,23 11,06 5,53 1,11 1,90 47,99 2,76 41,71 3,98 5,06 181,77 3,98 4,42 1,11 0,95 19,20 23,38 6,19 3,98 3,41 5,57 72,20 5,53 4,42 3,32 3,79 4,42 24,19 30,61 13,94 2,84 2,84 2,84 12,39 111,14 5,53 4,42 3,32 3,79 29,95 42,52 20,13 3,79 3,79 4,36 18,58 140,18 4,42 29,16 22,12 55,71 2 383,36 VOC [g/ha] 15,93 57,87 168,92 44,24 22,12 4,42 7,58 191,96 11,04 166,85 15,93 20,22 727,09 15,93 17,70 4,42 3,79 76,78 93,54 24,77 15,93 13,65 22,30 288,81 22,12 17,70 13,27 15,17 17,70 96,75 122,45 55,74 11,38 11,38 11,38 49,55 444,57 22,12 17,70 13,27 15,17 119,78 170,07 80,52 15,17 15,17 17,44 74,32 560,72 17,70 116,65 88,48 222,83 9 533,43 od emisji gazów w kolejnych cyklach produkcyjnych, które wynoszą po 5,88% w ciągu kolejnych 14 lat. Największy efekt minimalizacji emisji gazów w całym cyklu życia plantacji dałoby zmodyfikowanie technologii uprawy właśnie dla tych 14 cykli produkcyjnych. polska energetyka słoneczna 51 NAUKA Rysunek 2 prezentuje strukturę emisji CO2 podczas cyklu zakładania plantacji. Największy udział w strukturze emisji ma tutaj operacja uprawy przedsiewnej (26,40%), następnie orki głębokiej (23,23%) i sadzenia (22,95%). Rysunek 3 prezentuje strukturę emisji CO2 podczas i cyklu produkcyjnego. Największy udział w strukturze emisji ma tutaj operacja zbioru i prasowania (32,39%), następnie koszenia (26,59%) oraz stertowania i załadunku bel (12,54%). Rys. 2. Struktura emisji CO2 podczas cyklu zakładania plantacji miskanta [%] Rys. 3. Struktura emisji CO2 dla i cyklu produkcyjnego miskanta [%] Rysunek 4 prezentuje strukturę emisji CO2 podczas II cyklu produkcyjnego. Największy udział w strukturze emisji ma tutaj operacja zbioru i prasowania (27,54%), następnie koszenia (21,76%) oraz stertowania i załadunku bel (12,54%). 52 polska energetyka słoneczna Rysunek 5 prezentuje strukturę emisji CO2 podczas kolejnych cykli produkcyjnych. Największy udział w strukturze emisji ma tutaj operacja zbioru i prasowania (30,33%), następnie koszenia (21,36%) oraz stertowania i załadunku bel (14,36%). 2-4/2011 NAUKA Rys. 4. Struktura emisji CO2 dla II cyklu produkcyjnego miskanta [%] Rys. 5. Struktura emisji CO2 dla kolejnych cykli produkcyjnych miskanta [%] 2-4/2011 polska energetyka słoneczna 53 NAUKA Rys. 6. Struktura emisji CO2 dla cyklu likwidacji plantacji miskanta [%] Rysunek 6 prezentuje strukturę emisji CO2 podczas cyklu likwidacji plantacji. Największy udział w strukturze emisji ma tutaj operacja rozdrabniania (52,35%), następnie bronowania (39,71%) i opryskiwania (7,94%). w podobnie nazwanych operacjach, w różnych cyklach produkcyjnych używane są te same ciągniki o tej samej mocy silnika (np. zbiór i prasowanie – ciągnik z silnikiem o mocy 118 kW, koszenie - ciągnik z silnikiem o mocy 118 kW, itd.). W trakcie tych kolejnych cykli produkcyjnych największe efekty całkowite w ograniczeniu emisji gazów można byłoby uzyskać w wyniku usprawnienia następujących technologii lub operacji: zbioru i prasowania, koszenia, stertowania i załadunku bel oraz rozładunku i stertowania bel. Można to osiągnąć przez optymalizację doboru maszyn dla tych czynności pod kątem zużycia paliwa podczas pracy. Zmniejszenie emisji uwarunkowane jest zmianą technologii uprawy miskanta. Można również zmniejszyć emisję gazów poprzez zmianę ciągników w technologiach na ciągniki z mniejszą mocą silnika. oznaczałoby to koniczność rozszerzenia parku maszynowego o większą ilość ciągników. odbiłoby się to na kosztach amortyzacji całego parku maszynowego stosowanego do uprawy. Zatem chęć zmniejszenia emisji gazów musi zostać skonfrontowana z obliczeniami ekonomicznymi uwzględniającymi koszty amortyzacji. Ze względu na zależność kosztów amortyzacji od czasu wykorzystania ciągnika w ciągu roku oraz kosztów zakupu ciągnika, który jest jedną z najdroższych maszyn w gospodarstwie, przeważnie stara się ograniczyć liczbę i moce posiadanych ciągników w gospodarstwie. Wykorzystuje się więc ciągnik o tej samej mocy do różnych prac polowych, do których można by zastosować ciągnik o mniejszej mocy. z tego względu dobór maszyn w badanej technologii nie jest optymalny dla minimalizacji emisji. Należałoby dążyć do zmniejszenia kosztów zakupu ciągnika poprzez zmniejszenie kosztów jego wytwarzania (nowe tańsze materiały, obniżenie kosztów pracy ludzkiej) i udoskonalenie konstrukcji. w dalszych badaniach wskazane byłoby również zastosowanie metody LCA. 54 polska energetyka słoneczna WNIOSKI Założenie, że operacje typu koszenie, zbiór i prasowanie są takie same w różnych cyklach produkcyjnych jest zbyt daleko idącym uproszczeniem. Dobór maszyn w badanej technologii nie jest optymalny dla minimalizacji emisji ze względu na ekonomiczną konieczność (koszty amortyzacji) ograniczenia ilości maszyn używanych w gospodarstwie. Nowe konstrukcje ciągników powinny zostać opracowane pod kątem zmniejszenia ich kosztów wytwarzania i sprzedaży by zwiększyć różnorodność mocy silników ciągników dostępnych do zastosowania w gospodarstwie. W dalszych badaniach wskazane byłoby zastosowanie metody LCA w połączeniu z metodą ekonomicznej efektywności, która uwzględniałaby amortyzację kosztów maszyn i narzędzi. LITERATURA CYTOWANA Majewska-Sawka A., 2009, Miskant olbrzymi – rozwój plantacji w Polsce i zagranicą, Czysta energia, 99. Matyka M., Kuś J., 2011, Plonowanie i cechy biometryczne wybranych genotypów miskanta, Problemy Inżynierii Rolniczej, 2, 157-163. Praca zbiorowa, 2010, Analiza możliwości wieloletniego pozyskania biomasy dla bloku biomasowego 50 MW w Elektrowni Jaworzno III – EL” na etapie feasibility study, Polskie Towarzystwo Biomasy. Maszynopis. Spirincx C., De Nocker L., Panis L.I., 2000, Comparative externality analysis and life cycle assessment of biodiesel and fossil Diesel fuel. 1st World Conference on Biomass for Energy and Industry, Proceedings of the Conference held in Sewilla, Spain, ss. 171-173. 2-4/2011